硫磺制酸過程物料、能量衡算

任務(wù)2硫磺制酸過程物料、能量衡算知識目標(biāo)：熟悉硫磺制酸的步驟、原理。技能目標(biāo)：能用Excel核算硫磺制酸過程中的典型工藝參數(shù)和主要消耗指標(biāo)。以硫磺為原料的制酸過程，其特點(diǎn)是爐氣無需凈化，經(jīng)適當(dāng)降溫后，便可進(jìn)入轉(zhuǎn)化工序，再經(jīng)吸收即可成酸。該過程無廢渣、污水排出，流程簡單，因此，對建廠地區(qū)適應(yīng)性廣。硫磺制酸流程見圖5-2-1。圖5-2-1硫磺制酸生產(chǎn)流程圖1-焚硫爐；2-廢熱鍋爐；3-省煤-過熱器；4-第二過熱器；5-轉(zhuǎn)化器；6-第一換熱器；7-第一吸收塔；8-第二吸收塔；9，10，14-冷卻器；11，12，15-酸貯槽；13-干燥塔；16-鼓風(fēng)機(jī)空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)加壓后送入干燥塔，用濃硫酸干燥。干燥空氣在焚硫爐內(nèi)與噴入的液體硫磺反應(yīng)，生成含有二氧化硫的氣體——爐氣。高溫爐氣直接進(jìn)入廢熱鍋爐，氣溫降到適合于進(jìn)轉(zhuǎn)化器催化劑所需的反應(yīng)溫度后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器。轉(zhuǎn)化采用兩次轉(zhuǎn)化工藝。一次轉(zhuǎn)化時(shí)，氣體分別通過一段催化劑床層、第二過熱器、二段催化劑床層、第一換熱器Ⅰ、三段催化劑床層、第一換熱器Ⅱ，再進(jìn)入第一吸收塔。經(jīng)過一次吸收后的轉(zhuǎn)化氣再次通過第一換熱器Ⅰ（殼程）、第一換熱器Ⅱ（殼程）、再進(jìn)入轉(zhuǎn)化器第四段催化劑床層進(jìn)行第二次轉(zhuǎn)化。從轉(zhuǎn)化器四段出來的最終轉(zhuǎn)化氣進(jìn)入過熱-省煤器冷卻后進(jìn)入第二吸收塔，用濃硫酸將第二次生成的三氧化硫吸收，吸收后的尾氣通過煙囪排入大氣?！钏伎迹毫蚧侵扑徇^程由哪幾個(gè)步驟組成的？其中哪些地方涉及到能量回收利用？一、計(jì)算熔硫釜的蒸汽消耗量工業(yè)硫磺呈黃色或淡黃色，有塊狀、粉狀、粒狀或片狀等，有特殊臭味。單質(zhì)硫有幾種同素異形體，主要有菱形硫，熔點(diǎn)112.8℃；單斜硫，熔點(diǎn)118.9℃；純粹的單質(zhì)硫，熔點(diǎn)120.0℃。根據(jù)液硫粘度特性，當(dāng)溫度為120℃～150℃液硫的粘度較小，其流動(dòng)性較好，低于或高于此溫度范圍粘度急劇升高，實(shí)際生產(chǎn)過程中，熔硫通常采用0.5MPa的飽和蒸汽間接加熱，固體硫磺在攪拌作用下快速熔融，液硫的輸送管線閥門均具有蒸汽夾套保溫，以防液硫凝固并保持其流動(dòng)性，便于輸送。例5-2-1若加入熔硫釜中的硫磺溫度為常溫t0，熔硫采用0.5MPa的飽和蒸汽，最終將硫磺加熱至140℃的液態(tài)硫磺，假設(shè)熔硫釜的熱效率1為95%，試計(jì)算處理1000kg硫磺需多少kg0.5MPa的飽和蒸汽？解：以1000kg硫磺為計(jì)算基準(zhǔn)，以整個(gè)熔硫釜為體系假設(shè)蒸汽消耗量為mkg，則由穩(wěn)流體系能量平衡方程可得：1mh蒸汽+H硫磺=0由水蒸氣查得：h蒸汽=2108.5kJ/kg而硫磺由常溫（取t0=25℃）被加熱至140℃的液態(tài)，其經(jīng)歷的過程如圖5-2-2所示。圖5-2-2硫磺加熱過程示意圖由圖5-2-2可得：H硫磺=H1+H2+H3、、H2=nhv、查有關(guān)手冊可得：cp,s=14.90+29.12103TkJ/(kmolK)hv=1727kJ/kmolcp,l=45.03216.636103TkJ/(kmolK)n=1000/32=31.25kmol將上述數(shù)據(jù)代入H1、H2、H3的計(jì)算式得：=7.321104kJH2=nhv=31.251727=5.397104kJ=2.528104kJ上述H1、H3的計(jì)算可采用Excel完成，如采用自定義函數(shù)JSHeat便可方便地進(jìn)行計(jì)算，具體處理過程如圖5-2-3所示。圖5-2-3利用Excel計(jì)算焓變H硫磺=H1+H2+H3=7.321104+5.397104+2.528104=15.246105kJ蒸汽消耗量m為：對于實(shí)際生產(chǎn)過程中熔硫釜蒸汽消耗量，可根據(jù)硫酸產(chǎn)量、硫磺純度、SO2的轉(zhuǎn)化率、SO3的吸收率等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。如：年產(chǎn)400kt純硫酸裝置，若硫磺純度、SO2的轉(zhuǎn)化率、SO3的吸收率分別為0.995、0.996、0.995，一年按300天計(jì)，則該硫酸裝置每小時(shí)原料硫磺消耗量為：蒸汽消耗量為：76.111031.8397104=1.4002103kg/h☆思考：如何根據(jù)硫磺用量，硫磺起、終點(diǎn)溫度，計(jì)算加熱蒸汽消耗量？二、根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)，計(jì)算原料硫磺、空氣、水的消耗量在整個(gè)硫磺制酸過程中，所涉及的化學(xué)反應(yīng)較少，主要反應(yīng)如下：（1）焚硫爐中的反應(yīng)S+O2==SO2 （5-2-1）（2）轉(zhuǎn)化器中的反應(yīng) （5-2-2）（3）吸收塔中的反應(yīng)SO3+H2O==H2SO4 （5-2-3）將上述三個(gè)反應(yīng)合成一個(gè)總反應(yīng)： （5-2-4）例5-2-2試計(jì)算年產(chǎn)400千噸純硫酸的裝置，原料硫磺、空氣、水的理論消耗量。解：以1000kg純硫酸為計(jì)算基準(zhǔn)由硫平衡可得所需硫磺的物質(zhì)的量數(shù)（ns）為：ns=1000/98=10.204kmol折合為硫磺質(zhì)量數(shù)（ms）為：ms=MSns=3210.204=326.53kg由式（5-2-3）得所需的純水的物質(zhì)的量數(shù)與硫磺的物質(zhì)的量數(shù)相同，故所需的水的質(zhì)量數(shù)（m水）為：m水=M水ns=1810.204=183.67kg由式（5-2-4）得所需理論耗氧量為硫磺物質(zhì)的量的1.5倍，即：n氧=1.5ns=1.510.204=15.306kmol折合成純空氣理論量（nair）為：nair=n氧/0.21=15.306/0.21=72.866kmol通常氣體的數(shù)量采用標(biāo)準(zhǔn)立方米表示，故：Vair=22.4nair=22.472.866=1632.65m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))對于一個(gè)年產(chǎn)400千噸純硫酸的工廠，以上各原料理論消耗量只需乘系數(shù)4105，即：硫磺用量：326.534105106=130.6千噸空氣用量：1632.654105=6.531108m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))純水用量：183.674105106=73.47千噸對于以上各原料的實(shí)際消耗量，不同的生產(chǎn)廠家由于具體的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)過程有所不同，會(huì)存在一定的差別，需具體對待。如空氣過剩量的不同，實(shí)際空氣的消耗量也就不同。三、計(jì)算焚硫過程中空氣過剩系數(shù)與爐氣組成、爐氣溫度之間的關(guān)系在實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了充分利用原料硫磺，都采用空氣過剩的生產(chǎn)方法，即硫磺為限制反應(yīng)物，空氣為過量反應(yīng)物?？諝膺^量的程度通常用空氣過剩系數(shù)（）表示，其值為實(shí)際空氣用量與理論空氣用量的比值?？諝膺^剩系數(shù)的大小即空氣過量程度將直接影響硫磺焚燒過程中爐膛的溫度、爐氣的溫度、爐氣的組成，同時(shí)還影響廢熱鍋爐中熱量的回收、轉(zhuǎn)化器中各段催化劑的裝填量和轉(zhuǎn)化率等。因此，為了使生產(chǎn)過程盡可能做到合理，就必須對焚燒過程中空氣過剩系數(shù)與爐氣組成、爐氣溫度之間的關(guān)系有一清晰的認(rèn)識。（1）空氣過剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系以1mol純硫磺為計(jì)算基準(zhǔn)，則：理論用O2量：n氧，理=ns=1mol實(shí)際用O2量：n氧，實(shí)=ns=mol實(shí)際帶入N2量：n氮，實(shí)=(0.79/0.21)=3.762mol反應(yīng)后爐氣中各組分的量列于表5-2-1。表5-2-1爐氣中各組分量及摩爾百分組成爐氣組份O2N2SO2合計(jì)各組份mol數(shù)13.76214.762mol%(1)/(4.762)3.762/(4.762)=79.001/(4.762)100.00將過剩系數(shù)值代入上表即可計(jì)算出對應(yīng)的爐氣組成，如表5-2-2所示，具體處理時(shí)可利用Excel計(jì)算，以便快捷、迅速地計(jì)算出表5-2-2中的數(shù)據(jù)，只需在=1的該列中輸入計(jì)算公式，其余各列采用復(fù)制的方法即可。表5-2-2空氣過剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系air過剩系數(shù)11.21.41.61.822.12.22.32.4N2(mol)3.7624.5145.2676.0196.7717.5247.9008.2768.6529.029O2(mol)00.20.40.60.811.11.21.31.4SO2(mol)1111111111mol合計(jì)4.7625.7146.6677.6198.5719.52410.00010.47610.95211.429N2(mol%)79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%O2(mol%)0.00%3.50%6.00%7.88%9.33%10.50%11.00%11.45%11.87%12.25%SO2(mol%)21.00%17.50%15.00%13.13%11.67%10.50%10.00%9.55%9.13%8.75%Mol%合計(jì)100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%100.0%將上述數(shù)據(jù)中SO2的mol%濃度與O2的mol%濃度之間的關(guān)系可通過Excel繪成如圖5-2-4所示的關(guān)系線。圖5-2-4硫磺制酸焚硫爐氣中SO2和O2濃度之間關(guān)系☆思考：如何由空氣過剩系數(shù)計(jì)算焚硫爐出口爐氣的組成？（2）空氣過剩系數(shù)與爐氣溫度之間的關(guān)系為便于計(jì)算，設(shè)計(jì)如圖5-2-5的示的計(jì)算途徑。圖5-2-5硫磺焚燒過程出口溫度計(jì)算示意圖若反應(yīng)系統(tǒng)絕熱良好，不考慮熱損失，則：H=H1+H2+HR?+H3=0若考慮熱損失，則：H=H1+H2+HR?+H3=Q損或H=H1+H2+HR?+H3=0式中——反應(yīng)熱的利用率。實(shí)際生產(chǎn)過程中，可根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)之間的差距，取一溫度損失。也可取熱損失為反應(yīng)熱的1~3%等。沿用上述空氣過剩系數(shù)與爐氣組成的關(guān)系數(shù)據(jù)，以下先以絕熱反應(yīng)為例計(jì)算空氣過剩系數(shù)與爐氣溫度Tg之間的關(guān)系。①H1的計(jì)算此過程的計(jì)算剛好是圖5-2-2所示的相反過程，由例5-2-1知，H1=–15.246105kJ/1000kg硫磺=–4.879103J/mol硫磺②H2的計(jì)算此值由兩部分構(gòu)成，其一是molO2、其二是3.762molN2，都由Ta=373.15K降到298.15K時(shí)放出的熱量。查得O2、N2的cp=f(T)數(shù)據(jù)如下：O2：cp=29.96+4.184103T1.674105T2J/(molK)N2：cp=27.87+4.268103TJ/(molK) =1.0507104J/mol硫磺也可將H2整理成含入爐空氣溫度Ta、空氣過剩系數(shù)的函數(shù)式：H2=(41652.95134.80Ta1.012102Ta21.6740105Ta1)J/mol硫磺③HR0的計(jì)算查得SO2（g）、S（單斜）標(biāo)準(zhǔn)生成焓分別為：296.83kJ/mol、0.2971kJ/molHR0=296.830.2971=297.1271kJ/mol硫磺④H3的計(jì)算此值由三部分構(gòu)成，分別是(1)molO2、3.762molN2、1molSO2都由T0=298.15K升溫到Tg時(shí)吸收的熱量，查得SO2的cp=f(T)數(shù)據(jù)如下：SO2：cp=43.43+1.063102T5.941105T2J/(molK)經(jīng)整理后得：H3=(134.80Tg+1.012102Tg2+1.674105Tg1)+13.47Tg+3.223103Tg2+4.267105Tg141652.955.7337103J/mol硫磺將上述各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果代入H=H1+H2+HR?+H3=0，經(jīng)整理后得含有Tg的一元三次非線性方程：A1Tg3+A2Tg2+A3Tg+A4=0A1=1.012102+3.223103A2=134.80+13.47A3=1.0612104297127.1(134.80Ta+1.012102Ta2+1.6740105Ta1)A4=1.6740105+4.267105將Ta=373.15K、焚硫過程絕熱條件下不同的值代入上式，計(jì)算所得結(jié)果列于表5-2-3中。表5-2-3絕熱（=1）焚燒時(shí)空氣過剩系數(shù)與爐氣出口溫度之間的關(guān)系空氣過剩系數(shù)1.21.41.61.822.12.22.3O2mol%3.50%6.00%7.88%9.33%10.50%11.00%11.45%11.87%N2mol%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%79.00%SO2mol%17.50%15.00%13.13%11.67%10.50%10.00%9.55%9.13%組成合計(jì)100.00%100.00%100.00%100.00%100.00%100.00%100.00%100.00%Tg3系數(shù)A11.537E-021.739E-021.941E-022.144E-022.346E-022.447E-022.549E-022.650E-02Tg2系數(shù)A21.752E+022.022E+022.292E+022.561E+022.831E+022.966E+023.100E+023.235E+02Tg系數(shù)A3-3.703E+05-3.808E+05-3.912E+05-4.016E+05-4.121E+05-4.173E+05-4.225E+05-4.277E+05常數(shù)項(xiàng)A46.276E+056.611E+056.945E+057.280E+057.615E+057.782E+057.950E+058.117E+05Tg(K)1820.681647.661511.531401.651311.111271.561235.201201.68tg(℃)1547.531374.511238.381128.501037.96998.41962.05928.53利用Excel將表7-3中空氣過剩系數(shù)與爐氣出口溫度之間的關(guān)系繪制成曲線，如圖5-2-6所示。圖5-2-6絕熱反應(yīng)時(shí)空氣過剩系數(shù)與爐氣出口溫度之間的關(guān)系圖5-2-6的曲線由Excel回歸可得：tg=165.333+1158.723051.2+3829.1℃由此回歸函數(shù)式計(jì)算的爐氣出口溫度與表5-2-3計(jì)算值誤差在3~3℃之間。以上計(jì)算過程中未考慮焚燒爐的熱損失，因此計(jì)算值會(huì)比實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)稍高。當(dāng)考慮熱損失時(shí)，相應(yīng)地爐氣出口溫度tg值將有所下降，如取熱損失為反應(yīng)熱的1%時(shí)，空氣過剩系數(shù)與爐氣出口溫度的關(guān)系如表5-2-4所示。表5-2-4熱損失取標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的1%時(shí)（=0.99）空氣過剩系數(shù)與爐氣出口溫度之間的關(guān)系空氣過剩系數(shù)1.21.41.61.822.12.22.3Tg3系數(shù)A11.537E-021.739E-021.941E-022.144E-022.346E-022.447E-022.549E-022.650E-02Tg2系數(shù)A2175.24202.20229.16256.12283.08296.56310.04323.52Tg系數(shù)A3-3.674E+05-3.778E+05-3.882E+05-3.987E+05-4.091E+05-4.143E+05-4.195E+05-4.247E+05常數(shù)項(xiàng)A46.276E+056.611E+056.945E+057.280E+057.615E+057.782E+057.950E+058.117E+05Tg(K)1807.811636.191501.191392.241302.471263.261227.221193.99tg(℃)1534.661363.041228.041119.091029.32990.11954.07920.84溫度損失-12.87-11.47-10.34-9.41-8.64-8.30-7.98-7.69由Excel回歸可得：tg=164.173+1150.423028.4+3798.8℃由表5-2-3、5-2-4的數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)熱損失取標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的1%時(shí)，空氣過剩系數(shù)從1~2.3之間，爐氣出口溫度平均下降10℃左右。☆思考：如何利用前面所學(xué)的知識，處理入爐空氣溫度、入爐硫磺溫度、空氣過剩系數(shù)和爐氣溫度之間的關(guān)系？四、計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量如圖5-2-1所示，鍋爐給水經(jīng)省煤器加熱后進(jìn)入廢熱鍋爐2中，經(jīng)過吸熱升溫至對應(yīng)壓力下的飽和溫度、汽化為對應(yīng)壓力的飽和蒸汽。例5-2-3試計(jì)算以硫磺為原料，年產(chǎn)400kt純硫酸的生產(chǎn)裝置中廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量。假設(shè)鍋爐給水壓力為3MPa的飽和水。取表5-2-2、5-2-4中空氣過剩系數(shù)為2.1、熱損失為標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)熱的1%的數(shù)據(jù)為計(jì)算基準(zhǔn)。解：以整個(gè)廢熱鍋爐為計(jì)算體系，以1mol進(jìn)入焚燒爐的硫磺為計(jì)算基準(zhǔn)由題意畫出過程示意圖，如圖5-2-7所示。圖5-2-7例5-2-3示意圖由能量平衡方程可得：H水+H氣=Q損H水=m(hghl)或DK由水蒸氣表查得3MPa飽和水、飽和蒸汽的焓分別為：hl=1008.3kJ/kg、hg=2804kJ/kgH水=m(hghl)=m(28041008.3)=1795.7mkJ計(jì)算爐氣溫度由990.11℃降至420℃的焓變。若采用將爐氣作為整體計(jì)算的方法，則為了便于計(jì)算，可先將爐氣中各組分的mol分率、cp,i中的各項(xiàng)系數(shù)值列于表5-2-5中，利用Excel計(jì)算出爐氣的cp,氣再進(jìn)行計(jì)算。表5-2-5爐氣中各組分的mol分率、cp,i中的各項(xiàng)系數(shù)值及爐氣為整體的cp,氣值組分mol%cp=a0+a1T+a2T-2+a3T2a0a1a2a3N279.00%27.874.268E-0300O211.000%29.964.184E-03-1.674E+050SO210.000%43.431.063E-02-5.941E+050合計(jì)100.00%29.6564.895E-03-7.782E+040 =1.959105J=1.959102kJ當(dāng)鍋爐絕熱，即熱效率為100%時(shí)，鍋爐產(chǎn)汽量：m=1.959102/1795.7=0.10907kg/mol硫磺折合成小時(shí)產(chǎn)汽量：mT=0.109071.8397104103/32=6.271104kg/h若考慮熱損失，如取熱效率為90%時(shí)，則折合成小時(shí)產(chǎn)汽量：mT=6.27110490%=5.644104kg/h☆思考：1.如何根據(jù)爐氣進(jìn)、出口溫度，鍋爐給水的壓力和溫度，計(jì)算廢熱鍋爐的產(chǎn)汽量？2.實(shí)際生產(chǎn)過程中，如何根據(jù)爐氣進(jìn)、出口溫度，鍋爐給水的壓力、溫度和流量，計(jì)算廢熱鍋爐的熱效率？五、計(jì)算SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率和平衡轉(zhuǎn)化率SO2的轉(zhuǎn)化反應(yīng)（見式（5-2-2）），是一個(gè)需催化劑存在下才能進(jìn)行的可逆、放熱的反應(yīng)，反應(yīng)進(jìn)行的程度通常用SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率表示，即反應(yīng)過程中反應(yīng)掉的SO2的量與反應(yīng)器入口的SO2量的比值。平衡轉(zhuǎn)化率是當(dāng)反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)反應(yīng)掉的SO2的量與反應(yīng)前的SO2量的比值，此值是實(shí)際轉(zhuǎn)化率的極限值。平衡轉(zhuǎn)化率與實(shí)際轉(zhuǎn)化率兩者之間的差值往往可以反映出催化劑的活性高低，即此差值越小，表示催化劑的活性越高，當(dāng)然也表示此反應(yīng)器的反應(yīng)潛力越小。相反，兩者之間的差值越大，可能是催化劑中毒活性下降，若催化劑并非中毒，則說明此反應(yīng)器還有較大的潛力，只要適當(dāng)改變工藝條件，還可增加反應(yīng)器的生產(chǎn)能力。實(shí)際轉(zhuǎn)化率的計(jì)算通常有以下兩種情況，其一是實(shí)際生產(chǎn)過程中，通過對反應(yīng)器進(jìn)出口氣體取樣分析，確定氣體成份后計(jì)算出反應(yīng)器中該段催化劑床層中SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率；其二是反應(yīng)器設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止反應(yīng)量過多導(dǎo)致催化劑床層溫度過高燒壞催化劑，必須限制每一段催化劑床層出口溫度不得超過催化劑使用高限溫度，通過熱量衡算計(jì)算出實(shí)際轉(zhuǎn)化率。另外，在轉(zhuǎn)化爐設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，催化劑床層中反應(yīng)量、進(jìn)出口溫度的設(shè)計(jì)，也可通過各段催化劑出口，特別是轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的最終出口的平衡溫距的大小來控制。所謂平衡溫距就是指反應(yīng)器實(shí)際出口溫度（T）與實(shí)際組成所對應(yīng)的平衡溫度（T*）之間的差值，對于可逆放熱反應(yīng)，氣體實(shí)際出口溫度小于實(shí)際組成所對應(yīng)的平衡溫度，所以平衡溫距為：T=T*T （5-2-5A）若為可逆吸熱反應(yīng)，則平衡溫距為：T=TT* （5-2-5B）通常情況下，為了能保證實(shí)際反應(yīng)設(shè)備有一定的反應(yīng)推動(dòng)力，從而能保證實(shí)際生產(chǎn)過程中有一定的反應(yīng)速率，一般要求反應(yīng)器最終出口處的平衡溫距在10~15℃左右，反應(yīng)器中其余各段催化劑床層出口的平衡溫距在20℃左右。SO2的平衡轉(zhuǎn)化率（xT）可式（5-2-6）計(jì)算 （5-2-6）式中p——反應(yīng)系統(tǒng)壓力，atm；Kp——平衡常數(shù)，可由經(jīng)驗(yàn)公式（5-2-7）計(jì)算；a，b——入口氣體中SO2、O2的摩爾百分率。式（5-2-6）展開是一個(gè)含有xT的一元三次非線性方程，可采用前面介紹的非線性方程求解方法，如Newton法等。也可采用ExcelVBA自定義函數(shù)求解，如以下代碼為求解平衡轉(zhuǎn)化率的ExcelVBA自定義函數(shù)（H2SO4XT）的代碼，此函數(shù)的計(jì)算考慮了反應(yīng)開始時(shí)存在SO3的情況。PublicFunctionH2SO4XT(A,B,C,T,p)AsDouble'二氧化硫氧化為三氧化硫平衡轉(zhuǎn)化率計(jì)算'A,B,C分別表示入口氣體中二氧化硫,氧氣,三氧化硫的摩爾百分率DimX0,ESP,KP,A1,A2,A3,A4,p0AsDoubleX0=0.7ESP=0.0001p0=p/0.101325KP=H2SO4KP(T)A1=0.5*A^3*(KP^2*p0-1)A2=A^2*(100-C-(A+B)*KP^2*p0)A3=A*(C*(200-0.5*C)+A*KP^2*p0*(0.5*A+2*B))A4=100*C^2-A^2*B*KP^2*p0H2SO4XT=Newton3(X0,ESP,A1,A2,A3,A4)EndFunction計(jì)算平衡常數(shù)Kp的經(jīng)驗(yàn)公式為：lgKp=4812.3/T2.8245lgT+2.284×103T7.02×107T2+1.197×1010T3+2.23 （5-2-7A）當(dāng)反應(yīng)溫度在400~700℃時(shí)，也可采用簡化經(jīng)驗(yàn)方程式，如式（5-2-7B）。lgKp=4905.5/T4.6455 （5-2-7B）平衡常數(shù)的計(jì)算也可采用ExcelVBA自定義函數(shù)，如上段代碼中的函數(shù)H2SO4KP(T)即為計(jì)算Kp的自定義函數(shù)。以下通過兩個(gè)實(shí)例加以說明。例5-5-4已知轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)、出氣體的各組分mol%如下組分O2N2SO2SO3合計(jì)一段進(jìn)口氣體%11.00%79.00%10.00%0100.00%一段出口氣體%7.96%81.70%3.52%6.83%100.00%試計(jì)算轉(zhuǎn)化爐一段中SO2的實(shí)際轉(zhuǎn)化率？分析：此類型的計(jì)算屬于物料衡算，可假設(shè)某一進(jìn)口氣體量，再由聯(lián)系組分即N2的摩爾組成計(jì)算出出口氣體量，然后由出口氣體中SO3的含量計(jì)算出反應(yīng)掉SO2的含量。解：以100kmol進(jìn)口氣體為基準(zhǔn)則由聯(lián)系組分即N2的摩爾組成得一段出口氣量為：出口氣體中SO3量：因SO2反應(yīng)生成等量的SO3，故反應(yīng)掉的SO2量也為6.6kmol，則一段催化劑床層中SO2的轉(zhuǎn)化率為：x=6.6/10.00=0.6600=66.00%例5-5-5以表5-2-2中空氣過剩系數(shù)為2.1時(shí)的數(shù)據(jù)為例，計(jì)算當(dāng)床層一段進(jìn)口氣體溫度為420℃、出口溫度不得超過610℃時(shí)，試計(jì)算:（1）該段催化劑中SO2的轉(zhuǎn)化率和一段出口氣體組成？（2）對應(yīng)實(shí)際反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡溫距？分析：此題中SO2轉(zhuǎn)化率的計(jì)算實(shí)際上屬于熱量衡算，此轉(zhuǎn)化率通常是將反應(yīng)視為在絕熱條件下進(jìn)行時(shí)對應(yīng)的最高轉(zhuǎn)化率。由于SO2的轉(zhuǎn)化反應(yīng)是典型的可逆放熱反應(yīng)，其反應(yīng)熱與溫度的關(guān)系已有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)方程式，如式（5-2-8A）。-hR=92.253+2.352102T-43.784106T2+26.884109T3-6.9001012T4kJ/mol （5-2-8A）當(dāng)反應(yīng)溫度在400~700℃時(shí)，也可采用簡化經(jīng)驗(yàn)方程式，如式（5-2-8B）。-hR=101.342-9.25103TkJ/mol （5-2-8B）式中T——反應(yīng)溫度，K。解：以1molSO2為計(jì)算基準(zhǔn)（1）計(jì)算該段催化劑中SO2的轉(zhuǎn)化率和一段出口氣體組成假設(shè)一段轉(zhuǎn)化率為x①物料衡算此過程計(jì)算較簡單，現(xiàn)將進(jìn)出口物料量列于表5-2-6中。表5-5-6反應(yīng)器一段進(jìn)出口物料明細(xì)表組分一段入口一段出口Mol數(shù)mol%mol數(shù)mol%N27.9079.007.907.90/(10.000.5x)O21.1011.001.100.5x(1.100.5x)/(10.000.5x)SO21.0010.001.00x(1.00x)/(10.000.5x)SO300Xx/(10.000.5x)合計(jì)10.00100.0010.000.5x100.00②熱量衡算為便于計(jì)算，現(xiàn)設(shè)計(jì)如圖5-2-8所示的計(jì)算途徑。圖5-2-8SO2轉(zhuǎn)化一段絕熱反應(yīng)過程計(jì)算途徑示意圖即：HR=H1+H2=0Ⅰ）H1的計(jì)算將T1=420+273.15=693.15K代入式（5-2-8A）中得：-hR=92.253+2.352102693.15-43.784106693.152+26.884109693.153-6.9001012693.154 =94.880kJ/molH1=-94.880xkJⅡ）H2的計(jì)算前已查得N2、O2、SO2的恒壓摩爾熱容數(shù)據(jù)，現(xiàn)只需查得SO3的恒壓摩爾熱容數(shù)據(jù)如下：SO3：cp=57.32+2.686102T-1.305106T2J/(molK)以下先通過Excel分別計(jì)算1molN2、O2、SO2、SO3由t1=420℃升溫至t2=610℃的焓變h2i，再乘上各自的物質(zhì)的量數(shù)相加，由Excel計(jì)算之值如表5-2-7所示。表5-2-7由Excel計(jì)算的N2、O2、SO2、SO3由t1=420℃升溫至t2=610℃的焓變J/mol各組分mol數(shù)值項(xiàng)第2列×第3列值mol數(shù)含x值項(xiàng)第2列×第5列值1molN2T1~T2焓變5934.437.9046881.970.001molO2T1~T2焓變6266.991.106893.69-0.50-3133.501molSO2T1~T2焓變9659.131.009659.13-1.00-9659.131molSO3T1~T2焓變14508.000.000.001.0014508.0063434.791715.37由表5-2-7得：H2=63434.79+1715.37xJ由HR=H1+H2=0得：-94880x+63434.79+1715.37x=0解得：x=0.6809將x值代入表5-2-6計(jì)算得一段出口氣體組成列于表5-2-8中。表5-2-8反應(yīng)器一段進(jìn)出口物料計(jì)算值組分一段入口一段出口mol數(shù)mol%g數(shù)mol數(shù)mol%g數(shù)N27.9079.00221.27.907.90/(10.000.5x)=81.78221.20O21.1011.0035.21.100.5x=0.7596(1.100.5x)/(10.000.5x)=7.8624.31SO21.0010.00641.00x=0.3191(1.00x)/(10.000.5x)=3.3020.42SO3000x=0.6809x/(10.000.5x)=7.0554.47合計(jì)10.00100.00320.410.000.5x=9.6596100.00320.40（2）計(jì)算對應(yīng)實(shí)際反應(yīng)條件下的平衡轉(zhuǎn)化率和平衡溫距實(shí)際生產(chǎn)過程中，硫酸轉(zhuǎn)化通常在常壓下進(jìn)行，此處取p=1.1atm（0.1114575MPa）。將一段入口SO2=10.00、O2=11.00、SO3=0、T1=883.15、p=0.1114575分別輸入Excel的單元格C278、D278、E278、F278、G278中，在另一單元格B278中輸入：=H2SO4XT(C278,D278,E278,F278,G278)按“Enter”，即可在單元格B278中獲得計(jì)算結(jié)果（如圖5-2-9）為：xT=0.7036圖5-2-9利用ExcelVBA自定義函數(shù)計(jì)算SO2平衡轉(zhuǎn)化率示意圖由表5-2-8一段出口氣體SO2、O2、SO3的摩爾分率可計(jì)算出對應(yīng)的氣體分壓，代入式（5-2-2）對應(yīng)的平衡常數(shù)計(jì)算式得：由式（5-2-7B）得對應(yīng)的平衡溫度為：由式（5-2-5A）得平衡溫距為：T=T*T2=890.91883.15=7.76K由此計(jì)算可知，一段出口平衡溫距偏小，即題目要求控制反應(yīng)器出口溫度在610℃偏高，需重新調(diào)整。假設(shè)t2=605℃，重復(fù)表5-2-7以下內(nèi)容。具體處理過程只需在Excel表格中將原t2=610℃改為605℃即可，重新計(jì)算后的結(jié)果如表5-2-9所示。表5-2-9出口溫度為605℃后重新計(jì)算的各項(xiàng)結(jié)果匯總表由表5-2-9可得，重新計(jì)算后的實(shí)際轉(zhuǎn)化率為0.6623，平衡溫距為19.11℃，這對于一段催化劑反應(yīng)床層而言是比較合適的?！钏伎迹汉沃^平衡溫距？實(shí)際生產(chǎn)過程中反應(yīng)器出口的平衡溫距一般取多少？其值的大小說明了什么問題？如何根據(jù)反應(yīng)器的實(shí)際出口組成計(jì)算對應(yīng)的平衡溫距？六、計(jì)算空氣過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口溫度之間的關(guān)系空氣過剩系數(shù)的大小，不僅影響硫磺焚燒時(shí)爐氣的濃度和溫度，而且也會(huì)影響到轉(zhuǎn)化爐中各段催化劑床層中SO2的反應(yīng)量。在相同的SO2反應(yīng)量下，空氣過剩系數(shù)大，則轉(zhuǎn)化氣出口溫度就低，這是因?yàn)檫^量的O2和由此O2帶入的N2稀釋了氣體，緩和了爐氣溫度的升高。（1）物料衡算以1molSO2為計(jì)算基準(zhǔn)，將轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口氣體中各組分的物質(zhì)的量列于如表5-2-10中。表5-2-10含有、x項(xiàng)的一段進(jìn)出口氣體中各組分的物質(zhì)的量明細(xì)表組分入口出口N23.763.76O2110.5xSO211xSO30X合計(jì)4.764.760.5x（2）熱量衡算為便于計(jì)算，采用與圖5-2-7相同的計(jì)算途徑，若忽略反應(yīng)過程熱損失，則：HR=H1+H2=0若考慮反應(yīng)過程熱損失，則：HR=H1+H2=Q損或H1+H2=0Ⅰ）H1的計(jì)算式中——T1下SO2氧化為SO3的反應(yīng)熱，此處采用式（5-2-8B）的簡化式，J/mol； ——反應(yīng)熱的利用率，當(dāng)反應(yīng)過程視為絕熱時(shí)，為1。將式（5-2-8B）代入H1的計(jì)算式中得：H1=(101342+9.25T1)xJⅡ）H2的計(jì)算前以將出口氣體中各組分的cp,i查出，將ni、cp,i代入上式經(jīng)積分整理后得：H2=13.47(T2T1)+3.223103(T22T12)+4.267105(T21T11)+[134.80(T2T1)+1.012102(T22T12)+1.674105(T21T11)]+[1.09(T2T1)+7.609103(T22T12)+6.272105(T21T11)]x由H1+H2=0經(jīng)整理后得：[(1013429.25T1)+1.09(T2T1)7.609103(T22T12)6.272105(T21T11)]x=13.47(T2T1)+3.223103(T22T12)+4.267105(T21T11)+[134.80(T2T1)+1.012102(T22T12)+1.674105(T21T11)] （5-2-9）以下分二個(gè)問題處理空氣過剩系數(shù)、SO2轉(zhuǎn)化率和轉(zhuǎn)化爐一段出口溫度之間的關(guān)系。①在轉(zhuǎn)化爐一段進(jìn)出口溫度一定的情況下，空氣過剩系數(shù)與SO2轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系由實(shí)際生產(chǎn)廠家提供的數(shù)據(jù)，一段入口溫度可取693.15K(420℃)、出口溫度可取878.15K(605℃)，取=0.95~1.00，將式（5-2-9）編寫成ExcelVAB自定義函數(shù)如下：函數(shù)1：Air_SO2X(A,T1,T2,Ex)此函數(shù)中變量A表示空氣過剩系數(shù)，T1、T2分別表示進(jìn)出口溫度（K），Ex表示反應(yīng)熱的利用率。此函數(shù)用于已知空氣過剩系數(shù)、進(jìn)出口溫度和反應(yīng)熱利用率時(shí)計(jì)算SO2的轉(zhuǎn)化率。函數(shù)2：SO2X_Air(X,T1,T2,Ex)此函數(shù)中變量X表示SO2的轉(zhuǎn)化率，其余同函數(shù)1。該函數(shù)用于已知SO2的轉(zhuǎn)化率、進(jìn)出口溫度和反應(yīng)熱利用率時(shí)計(jì)算空氣過剩系數(shù)。函數(shù)3：JS_SO2EX(A,X,T1,T2)此函數(shù)用于已知空氣過剩系數(shù)A，SO2的轉(zhuǎn)化率計(jì)算X，進(jìn)出口溫度T1、T2時(shí)，計(jì)算反應(yīng)熱的利用率。用函數(shù)1進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果列于表5-2-11。表5-2-11T1=693.15K、T2=878.